智慧 煤矿一网一站的设计及应用研究

智慧 煤矿一网一站的设计及应用研究

高晓成

国电建投内蒙古能源有限公司 内蒙古 鄂尔多斯市 010300

〔摘要〕智慧矿山建设已经向精细化管理方向发展，人员定位是煤矿上六大系统之一，需要与时俱进，实现人员精确定位后，可具备人员、车辆的精确定位和为其它系统提供人员和车辆的精确位置信息，这样发生紧急事故事故时候，可迅速、准确的对井下人员进行定位，缩短救援时间，提高人员生还率。

另外，建设人员精确定位系统，也有利于后期矿山物联网的人员感知、车辆感知、车辆管理、无人化工作面、矿山机电设备管理等系统。

〔关键词〕智慧矿山；一网一站；精确定位；融合分站；5G；

1 原系统存在的问题

察哈素煤矿人员定位系统和车辆定位系统建设较早，受当时的技术发展条件限制采用人员区域定位和车辆区域定位，随着煤矿向精细化管理方向发展，区域定位系统已无法满足对人员和车辆准确定位的要求。

察哈素煤矿部分系统由于建设年限较早，受当时技术限制原因，各系统建设时间不同，技术规划不统一，导致各系统通讯协议与接口相互孤立。

各系统缺少融合，系统统间存在信息孤岛。

各系统独立建站，设备众多，运维困难。

各系统相互独立，重复建设严重，线缆众多维护工作量大，维护成本高。

2智慧煤矿一网一站设计的目标及意义

按照智慧企业建设整体部署和要求，充分利用自动化、数字化、信息化、智能化等手段，提高生产智能化和管理智慧化水平，逐步实现生产过程的少人化或无人化的目标。实现安全生产，并能够对矿山进行实时监测及预案管理，同时能够保证对整个矿山的生产及安全情况进行远程控制，做到防范于未然，实现对高效、节能、安全、环保一体化融合建设。建立智慧化矿山既可以实现安全管理的数字化，为打造本质安全型矿井提供信息保障，也可以实现生产管理的精细化，为打造高产高效矿井提供决策手段。智慧煤矿一网一站融合平台集成了万兆工业以太环网传输平台、融合人员、车辆精确定位模块和千兆网络传输模块，集成4G模块、WIFI模块、5G模块，集成矿山数字化设备的底层融合，实现一站式接入与传输，能够满足矿山视频、控制、通信、定位等数据的传输需要。解决了系统重复建设严重、设备利用率低，系统信息孤岛，无法彻底融合，不能实现智能化和精细化管理问题。在智慧矿山融合阶段，需要让现今的信息化技术能够运用的实际的矿山工作中，实现人工智能，并将可视化信息技术进行全方位的应用，以提高矿山开采的高效、安全为目标，实现无人开采为智慧矿山的最终目的。

3 智慧煤矿一网一站综合技术路线选型

国内外井下常用的井下定位技术有有源射频识别RFID技术、基于Zigbee的TOF定位技术、UWB高精度定位技术，各种技术路线比对如下：

有源射频识别技术：有源射频识别 ，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。上世纪90年代开始服务于矿山定位行业。广泛应用于人员、车辆等位置定位。其技术特点：覆盖距离30米-300米不等。功耗低，成本低，技术较成熟，广泛应用于井下的人员定位。

有源的RFID技术因其覆盖距离在30米-300米左右，且区域间不能有交叉，不能信号间连续覆盖。想要做到比较好的区间定位效果，必须站与站之间留有空白区域。其基于覆盖区域的定位无法完成精确测速，只能利用两个基站之间或多个基站基站完成区域测速。基本覆盖模型如下图：

有源射频技术，因其定位主要对象为有源的电子标签，基站和定位卡能够交互的数据很小，除定位外，几乎无法传输其他信息，延展性较差。

基于TOF的精确定位技术：TOF上世纪90年代初步理论形成，本世纪初开始逐步投入使用，定位精度也逐步提高。

技术特点：定位精度高，5米-10米，功耗相对稍高，有效通信距离200米以上。

TOF是利用电磁波的飞行时间来计算发射源距离接收站的距离。

计算距离则为电磁波飞行时间乘以光速，因电磁波的飞行时间不受物体遮挡而变化，因此能够适用于井下的复杂环境。其定位精度取决于芯片的时间精度。

基于UWB的精确定位技术：UWB是一种超宽带的通信传输技术，利用纳秒至微微纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来随着UWB技术不断成熟、优势特点不断显现，逐渐被应用于精确定位领域。

技术特点：分辨率可达0.3米、定位精度1米、系统容量大、传输速率高、设备功耗小、具有较强的抗干扰能力，系统有效覆盖直径可达600米以上。

UWB通过在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲与基站实现信息交互。其较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据，意味着干扰小于传统的窄带无线解决方案，并能够在无线环境中提供与有线相媲美的性能，实现高精度定位。

4 智慧煤矿一网一站框架设计与目标

察哈素煤矿建设一个高速主干网“一网”：万兆环网，全矿井数字化系统“大数据”传输平台采用万兆工业以太环网，提升数据传输速度、确保数据正常传输、保证安全性的同时，实现数据资源开发与共享。在一体化监控管理方面能真正实现统一的高度集成，实现信息的采集、传输、处理、存储、监视、控制、联动和信息的综合分析利用，实现井下的高速环网传输，安全，可靠。

察哈素煤矿建设一个多功能系统网络，“一站”集成定位模块和千兆交换机模块、WIFI模块、4G模块，预留5G模块接口，“一线”传输多个系统，具备以太网、CAN总线、RS485总线方式、I/O等接口，支持有线摄像机、无线摄像机，数字广播、煤流集控系统、水泵房控制系统、皮带秤监测系统、工业视频监控系统、通信系统等设备接入，“一网”融合分站自带管理型千兆交换机，支持自组千兆环网，另外也支持接入万兆工业环网，实现井下的双高速环网传输，实现一站式接入，体现“一站、一线、一网”设计理念。

察哈素煤矿建设一套矿井精确定位管理系统，一体化融合分站具备定位模块，实现对井下人员和车辆的精确定位管理，定位精度不大于1米，并可根据精确定位的数据，扩展车辆测速，人员和车辆的防碰撞设计以及井下移动设备管理等功能。

建设集中电源管理，一体化融合分站自带电源管理接口功能，实现供电的在线监测与管理功能，支持统一的电源管理功能，满足井下核心设备长时间供电。

5 智慧煤矿一网一站融合平台的功能及推广应用

结合煤炭行业技术发展趋势，根据企业的情况提出一网一站一线一平台的建设理念，本着硬件共享、底层互通、传输共用、平台互动的子系统深度融合理念，将人员精确定位系统、车辆精确定位系统、车辆管理系统、千兆环网传输系统、万兆环网传输系统建设成为“一站”多系统接入，“一线”多系统连接，“一网”综合传输，“一平台”混合应用的高效、一体的精度指挥监管平台。

项目建设完成至今，各系统整体运行稳定、各项功能与应用特点突出，系统的先进性得到各管理及使用单位的认可，特别是车辆派单管理功能，安装期间就备受关注，调试完成投入使用后，极大提高了入井车辆的使用效率。项目采用的一体化融合基站也得到了使用、维护、管理部门的认可，原来井下设备与线缆众多，故障排除困难，新系统采用的一体化基站替换了井下多套基站，极大降低了维护量，维护人员有更充足的条件保证系统的稳定性，有效提高了的工作效率。而且一个基站、多个系统的覆盖，大大减少了企业投入成本。

一网一站融合平台无论在深度和广度都走在了全国煤矿行业前列；建设过程贴近实际需求，注重安全生产和管理服务，全面提升了矿井的综合管理水平，采用基于TDOA的UWB精确定位技术，定位精度1米，同时实现对井下人员与车辆的精准定位管理便于矿井的生产、安全精细化管理，提高救灾救援效率，助力矿井未来信息化、智能化发展；将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合，为决策者提供了准确的科学依据，实现了预期目标。

6总结

一网一站的建设给察哈素煤矿建设智慧矿山鉴定基础。利用综合分站实现多种接口将其它系统井下接入融合，统一的综合管控平台，综合的信息展示平台，有机的综合告警平台，实现系统间的有机整合，各子系统有机整合，深度融合。为公司或其他单位开展建设智慧矿山提供技术基础和有力指导性。

参考文献

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